高速列車設計和服役關鍵力學問題專題序

楊國偉

(中國科學院力學研究所流固耦合系統力學重點實驗室,北京 100190)

我國高速鐵路運營里程及高速動車組保有量均占世界2/3 以上,穩居世界第一.我國高速鐵路“四縱四橫”干線網已建設完成,并正在以形成“八縱八橫”主通道為骨架、區域連接線銜接、城際鐵路補充的高速鐵路網方向發展。高速列車作為高速鐵路核心裝備，是當代多種尖端科技在交通領域上的充分運用，其運行速度、綜合舒適度、安全性、可靠性、節能環保等性能指標代表了高速鐵路的科技水平.

《力學學報》組織了《高速列車設計和服役關鍵力學問題》9 篇研究或綜述論文，旨在反映我國高速列車骨干制造企業、研究機構、高等院校的科技人員在高速列車設計和服役關鍵力學問題的最新研究進展，以促進學術交流，供從事該行業和領域的讀者參考。

通過不斷的技術創新,我國設計的高速列車運行速度、綜合舒適度、安全性、可靠性、節能環保等各項綜合性能指標優良,部分指標達到國際領先水平.本專題有4 篇文章與高速列車設計相關：中車青島四方機車車輛股份有限公司丁叁叁等人綜述了和諧號動車組、復興號動車組、城際動車組、前沿動車組產品的發展成就,分析了高速列車研發過程中面臨的復雜環境適應性、大系統復雜耦合作用、安全可靠設計、智能化應用等關鍵技術挑戰,系統概述了高速列車故障預測與健康管理技術、車體輕量化技術、被動安全防護技術、碳纖維復合材料應用、氣動外形設計技術、高速轉向架技術、噪聲控制技術、牽引制動技術等關鍵技術的研究進展及主要技術突破；中國科學院力學研究所孫振旭等主要圍繞“和諧號”和“復興號”這兩款主力車型的氣動性能提升，探討了高速列車空調導流罩、受電弓平臺、風擋和轉向架裙板等幾類對列車阻力影響較為明顯的部件改型設計,并從頭型參數化方法、替代模型以及優化算法改進等三個方面詳述了高速列車流線型頭型優化設計過程。郭易等利用中國科學院力學研究所研制的高速列車動模型實驗平臺，開展了縮尺比列1:8 八編組高速列車列車風的動模型實驗研究,采用實驗數據的系綜平均和方差分析，明晰了列車頭部穩定列車風及車身發展區和能量集中尾跡區的非定常特性；中國科學院力學研究所的吳孟臻等以弓網接觸力隨機統計特征作為優化目標函數,開展了受電弓動力學參數的敏度分析和優化設計研究，建議同時減小弓頭等效阻尼和增大弓頭等效剛度,能夠實現比單參數優化更好的弓網耦合性能。

在高速列車發展初期,重點關注問題是如何保證高速列車高速、平穩和安全運行.隨著高速動車組大量在線運營，高速列車的服役安全和關鍵部件結構可靠性成為研究熱點。本專題有5 篇文章與高速列車服役相關：西南交通大學的張衛華提出了基于循環變量法的長編組列車建模與計算方法,實現任意列車編組的仿真,得到不同編組位置車輛的服役狀態;提出了滑移窗口的軌道建模與車線耦合計算方法,得到列車在任意長線路上運行的服役狀態;提出了基于時變參數的長期服役計算方法,實現列車在不同服役狀態與服役時間的服役模擬，最終實現了列車在不同壽命階段的服役模擬。北京交通大學的王曦等概述了高速列車軸承所處的復雜使用環境及運用中的主要失效模式,分析了高速列車軸承可靠性評估所需的關鍵力學參量,強調了軸承內部滾滑行為和載荷分布在可靠性評估和軸承狀態監測中的重要作用，并從計算模型和測試技術等方面系統闡述了針對這兩個關鍵力學參量的研究進展.北京交通大學的鄒驊等對轉向架構架承載系統的線性假設、穩定假設及典型假設進行了確認研究;根據長期實測線路的動應力數據,將轉向架構架典型應力分區域編制應力譜;根據構架受力特點在試驗臺中標定各個載荷系下的載荷應力傳遞關系,基于損傷一致性原則建立優化函數,得到一種適用于由線路實測動應力大數據推導出實驗載荷譜的方法.該方法具有較高的精度,對構架關鍵部位的考核實現了典型區域全覆蓋;相比國際通用規范,該方法對所有典型區域做到損傷再現,所編制實驗譜對轉向架構架的考核更具有適用性.西南交通大學的吳圣川等采用空氣炮裝置開展高周疲勞試驗獲得光滑試樣和異物致損小試樣的疲勞S-N 曲線，考慮載荷模式、表面質量和尺寸系數推證出全尺寸車軸的疲勞性能。采用修正的Miner 理論公式估算含異物致損實物車軸的服役壽命，得到能夠滿足30 年服役壽命的結果。中車唐山機車車輛有限公司的李明等基于動靜態測試結合的分析方法，對不同運行年限動車組在四級修前后的線路運行氣動載荷和靜態氣密性進行了測試研究，通過建立動靜態氣密性能分析模型獲得了動靜態氣密指數，總結了隧道條件、運行速度等因素對車內壓力波動和氣密性能的影響規律，同時針對典型氣密部件的泄漏量和泄露面積進行分析，得到了氣密敏感部件影響度排序并提出了優化方案。

十幾年來,以高速列車為代表的高速鐵路裝備在長期技術積累和自主研發基礎上,通過產學研用的舉國體制，經過引進消化吸收再創新、自主提升創新、全面創新和持續創新，我國成功研制了先進的高速列車產品,使中國高速鐵路總體技術水平居于世界前列。由于篇幅限制，本專題就高速列車設計和服役關鍵力學問題研究方面組織了9 篇論文，僅從一個側面反映我國科技工作者在中國高速鐵路發展過程中的研究成果和支撐作用。隨著我國川藏鐵路的開工建設、“一帶一路”和“走出去”等國家戰略的實施，需要我們積極應對高速鐵路的環境適應性、安全性、可靠性、能效及智能化等帶來的新挑戰，持續推動高速鐵路裝備的引領發展.